ES2800823B2 - Imagen hiperespectral basada en peine doble de frecuencias - Google Patents
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Description
DESCRIPCIÓN
Imagen hiperespectral basada en peine doble de frecuencias
Objeto de la invención
La presente invención se refiere a procedimientos y sistemas para habilitar la captura de imágenes hiperespectrales utilizando un peine doble de frecuencias.
Específicamente, el objeto de la presente invención es proporcionar un procedimiento para extraer imágenes hiperespectrales usando una señal de peine doble de frecuencia de iluminación y una cámara de video con una tasa de refresco regular.
Antecedentes de la invención
Las cámaras hiperespectrales proporcionan imágenes con una combinación de información espacial y espectral. Esta tecnología ha descubierto numerosas aplicaciones en campos tales como el análisis de alimentos, la agricultura, la geología y la captura de imágenes químicas, llevando a importantes descubrimientos científicos, y tiene un tamaño de mercado que se espera que alcance los 21,33 mil millones en 2023. En los últimos años, diferentes grupos han intentado con éxito aprovechar las ventajas de las fuentes de peine doble de frecuencia para impulsar diferentes aspectos del rendimiento de los actuales dispositivos de formación de imágenes hiperespectrales. Principalmente se han puesto en práctica dos enfoques distintos: un sistema de medición de un solo punto junto con un escaneo de píxel a través de la muestra usando una plataforma motorizada y un dispositivo de formación de imágenes de un solo píxel basado en la modulación espacial de la luz. Sin embargo, ninguno de los dos procedimientos ha demostrado ser especialmente exitoso debido a sus limitaciones significativas.
Por lo tanto, se desea un procedimiento y un sistema para producir imágenes de peine doble hiperespectrales que resuelvan las limitaciones de los enfoques mencionados anteriormente.
Descripción de la invención
La presente invención propone un nuevo enfoque para la toma de imágenes
hiperespectrales basado en una fuente de peine doble de frecuencias que es capaz de generar pulsos ópticos tan estrechamente ligados que interfieren a una velocidad que es lo suficientemente lenta como para ser poder ser detectados por una cámara de vídeo común funcionando a una tasa de adquisición normal, lo que permite la verdadera captura de imágenes hiperespectrales sin ningún tipo de escaneo y proporcionando un rendimiento sin precedentes.
Por lo tanto, un primer aspecto de la presente invención es un procedimiento para generar una señal de peine doble de iluminación que proporcione un tren de interferogramas de baja frecuencia legible por una cámara video regular que tiene una frecuencia de muestreo de V Hz y N píxeles para extraer información hiperespectral, comprendiendo el procedimiento una primera etapa de obtención de una señal monocromática, una segunda etapa para dividir la señal monocromática en dos señales monocromáticas divididas, una tercera etapa para desviar la frecuencia de cada señal monocromática con una frecuencia de desplazamiento v
diferencial inferior a - Hz, una cuarta etapa para generar dos peines de frecuencia que
tienen una diferencia en su frecuencia de repetición inferior a v- Hz mediante una modulación no lineal de las dos señales monocromáticas divididas, una quinta etapa para combinar las dos señales de peine de frecuencia generadas para generar la señal de peine doble de iluminación, una sexta etapa para iluminar un objetivo con la señal de peine doble de iluminación y una séptima etapa para emplear una cámara de video para leer el tren de interferogramas de baja frecuencia de proveniente dela señal de peine doble de iluminación original reflejada y/o transmitida en el objetivo. Por último, la transformada de Fourier del tren de interferogramas detectados por cada píxel individual de los N píxeles de la cámara proporciona la información hiperespectral deseada.
En un segundo aspecto de la presente invención, se propone un sistema para generar una señal de peine doble que proporciona un tren de interferogramas de baja frecuencia legibles por una cámara de video con una tasa de toma de imágenes normal. El sistema comprende un láser que proporciona una señal monocromática, un primer divisor para dividir la señal monocromática en dos señales divididas, un primer modulador acusto óptico y un primer modulador de fase y/o intensidad para realizar un desplazamiento en frecuencia y la modulación no lineal respectivamente de las señales divididas, un segundo modulador acusto óptico y un segundo modulador de fase para realizar una desviación de frecuencia y la modulación no lineal de una segunda señal dividida y un segundo divisor para combinar las señales divididas moduladas primera y segunda para obtener la señal de peine doble.
Breve descripción de los dibujos
Para una mejor comprensión de la explicación anterior y con el único fin de proporcionar un ejemplo, se incluyen algunos dibujos no limitantes que representan esquemáticamente una realización práctica.
La figura 1 muestra un ejemplo de un sistema de generación de peine doble de frecuencia de acuerdo con la presente invención.
Las figuras 2A y 2B muestran los resultados de una demostración experimental para generar una señal de peine doble de iluminación con el sistema de generación de peine doble de acuerdo con la presente invención.
Descripción de una realización preferente
La figura 1 muestra un diagrama de bloques de un ejemplo de sistema (100) de generación de peine doble de acuerdo con la presente invención. El sistema (100) de generación de peine doble puede generar una señal de peine doble de iluminación que proporciona un tren de interferogramas de baja frecuencia (180) legibles por una cámara (160) de video de baja tasa de adquisición con el fin de extraer información (170) hiperespectral.
Se desvela una arquitectura basada en una fuente de peine doble electro-óptica (en la que se han incluido dos moduladores acusto ópticos). Los peines dobles electro-ópticos presentan una configuración simple y una coherencia mutua inherentemente alta entre los peines que pueden mejorarse incluso más usando bucles de retroalimentación sin complicaciones (por ejemplo, los peines dobles obtenidos pueden poseer tonos de batido con anchos de línea de unos pocos mHz).
Además, un diodo (110) láser de 1550 nm alimentado por una fuente de corriente de bajo ruido se usa como fuente monocromática.
La señal procedente del diodo (100) láser puede distribuirse en dos señales divididas (105a) y se introducen en paralelo en dos moduladores (120a, 120b) acusto ópticos de 40 MHz que realizan un desplazamiento en frecuencia para cada señal dividida (por ejemplo a 40 MHz) con una diferencia de frecuencia de desplazamiento de unos pocos Hz (por ejemplo, 5 Hz) desde las que desplazamiento generarse las señales de peine doble. Pueden usarse otras
frecuencias de desviación para los moduladores (120a, 120b) acusto ópticos. En general, la desviación de frecuencia se realiza para cada señal con, por ejemplo, una diferencia en las frecuencias de desplazamiento inferior a j Hz, donde V es la tasa de adquisición de la cámara (160) en fotogramas por segundo.
Además, el sistema (100) de generación de peine doble comprende dos moduladores (130a, 130b) de fase que realizan una modulación no lineal de la señal de entrada para generar v dos peines de frecuencia que tienen una diferencia en la frecuencia de repetición inferior a -Hz (por ejemplo, 1 Hz). Un segundo divisor óptico en el punto (115b) recombina las dos señales para generar la señal de peine doble. Además, con el fotodetector (140) puede extraerse una referencia para la monitorización de longitud de onda y de la generación del peine doble.
Además, la señal de peine doble puede emplearse para iluminar un objetivo (150) y el tren de interferogramas de baja frecuencia (180) puede leerse por una cámara de video (160) de tasa de muestreo regular. La transformada de Fourier de la intensidad registrada por cada píxel del sensor proporciona el espectro detectado en cada píxel de los N píxeles de la cámara (160). Además, la señal de peine doble generada puede desplazarse a los rangos de frecuencias visible, de infrarrojo medio o de terahercios para ampliar el rango de operación del sistema.
Las figuras 2A y 2B muestran una demostración experimental en la que el sistema (100) se configuró con una diferencia de frecuencias de desplazamiento entre las dos señales de 5 Hz (señales de 40,000005 MHz y 40 MHz en los moduladores acusto ópticos) y una diferencia en las frecuencias de repetición de los peines de frecuencia de 1 Hz (señales de 1,000000001 GHz y 1 GHz en los moduladores de fase para una resolución óptica de 8 pm/0,033 cm-1). En general, la separación de los dientes de los peines puede ajustarse desde unas pocas decenas de MHz a decenas de GHz, generando cientos de líneas con un nivel suficientemente alto de potencia de RF entregada a los moduladores de fase/intensidad. No obstante, durante esta demostración experimental mostrada en las figuras 2A y 2B, los niveles de potencia de las señales de accionamiento en el sistema (100) se mantuvieron bajas para garantizar un número reducido de dientes. La cámara (160) puede operar a una tasa de fotogramas de aproximadamente 30 fotogramas por segundo.
La figura 2 muestra los resultados de un experimento en el que un haz de peine doble
colimado se enfoca en la cámara. La interferencia de baja frecuencia entre los peines modula la intensidad óptica leída por cada píxel como se muestra en la señal (200) de interferograma en la figura 2A y, por lo tanto, permite la digitalización directa del interferograma. La transformada de Fourier de la señal adquirida permite recuperar la estructura (250) del peine (como se muestra en la figura 2B), en la que pueden resolverse claramente un total de 5 líneas (dientes) individuales (201) del peine .
Por lo tanto, la fuente de peine doble generada por el sistema (100) propuesto es capaz de transformar una cámara de video operando a una tasa de adquisición de imágenes regular en un dispositivo de captura de imágenes hiperespectrales de resolución espectral ultra alta para proporcionar información tanto espectral como espacial. El uso de una fuente de peine doble electro-óptica ha facilitado la generación de dos peines con frecuencias de desplazamiento muy por debajo de la tasa de fotogramas de una cámara regular, dando lugar a interferogramas de muy baja frecuencia que pueden medirse directamente por todos los píxeles del sensor de cámara simultáneamente (el número de bandas espectrales, o dientes de peine, N solo está restringido en la práctica por la tasa de fotogramas de la cámara y el tiempo de integración empleado y podría alcanzar varios cientos de bandas en otros ejemplos).
Por lo tanto, la presente invención permite aprovechar al máximo las ventajas de la espectroscopia de peine doble para la obtención de imágenes hiperespectrales, proporcionando características nunca demostradas y abriendo nuevas vías para la detección remota de alta precisión. Además de esto, el rango espectral de la fuente de peine puede desviarse sin complicaciones a frecuencias más cortas o de infrarrojo medio mediante procesos no lineales, lo que amplía el campo de aplicación del procedimiento. Especialmente notables son las perspectivas abiertas en el intervalo de terahercios, al que pueden trasladarse fácilmente los peines electro-ópticos, proporcionando un ancho relativo de cobertura espectral mucho más amplio.
Aunque se ha hecho referencia a una realización específica de la invención, para los expertos en la materia es evidente que el sistema y el procedimiento descrito en el presente documento es susceptible de numerosas variaciones y modificaciones, y que todos los detalles mencionados pueden sustituirse por otros técnicamente equivalentes sin alejarse del ámbito de protección definido por las reivindicaciones adjuntas.
Claims (3)
1. Un procedimiento para generar una señal de peine doble de iluminación que proporciona un tren de baja frecuencia de interferogramas (180) legibles por una cámara (160) de velocidad de video regular que comprende N píxeles y una frecuencia de muestreo de V Hz para extraer información (170) hiperespectral, comprendiendo el procedimiento: proporcionar una señal monocromática;
dividir la señal monocromática en dos señales monocromáticas divididas;
modular la frecuencia de cada señal monocromática con una diferencia de frecuencias de desplazamiento inferior a v- Hz;
generar dos peines de frecuencia que tienen una diferencia en las frecuencias de repetición inferior a - 2 Hz mediante una modulación no lineal de las dos señales monocromáticas divididas;
combinar las dos señales de peine de frecuencia generadas para generar la señal de peine doble de iluminación;
iluminar un objetivo con la señal de peine doble de iluminación; y
emplear la cámara (160) de velocidad de video regular para leer un tren de baja frecuencia de interferogramas (180) basados en una señal reflejada y/o transmitida de la señal de peine doble de iluminación; y
realizar la transformada de Fourier del tren de baja frecuencia de interferogramas (180) detectados por cada píxel de los N píxeles para extraer la información (170) hiperespectral.
2. El procedimiento para generar una señal de peine doble de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende además desplazar la señal de peine doble de iluminación a rangos de longitudes de onda que incluyen los rangos visibles, de infrarrojo medio y de terahercios.
3. El procedimiento para generar una señal de peine doble de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que realizar una modulación no lineal comprende el uso de uno solo o una cadena de moduladores de intensidad o de fase.
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| BA2A | Patent application published |
Ref document number: 2800823 Country of ref document: ES Kind code of ref document: A1 Effective date: 20210104 |
|
| FG2A | Definitive protection |
Ref document number: 2800823 Country of ref document: ES Kind code of ref document: B2 Effective date: 20221125 |